EP2015006A2

EP2015006A2 - Wärmepumpe

Info

Publication number: EP2015006A2
Application number: EP20080009044
Authority: EP
Inventors: Roland Burk
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2007-06-14
Filing date: 2008-05-16
Publication date: 2009-01-14
Also published as: DE102008023662A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit Hohlkörpern (1), die jeweils mindestens eine erste Zone (4) und mindestens eine zweite Zone (5) umfassen, zwischen denen ein Arbeitsmittel reversibel verlagerbar ist, wobei ein Gleichgewicht des Zusammenwirkens des Arbeitsmittels mit jeder der Zonen (4,5) von thermodynamischen Zustandsgrößen abhängt. Um den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe zu verbessern, weisen die Hohlkörper (1) jeweils eine erste Wirkfläche (6) mit der ersten Zone (4) auf, die einer zweiten Wirkfläche (7) mit der zweiten Zone (5) gegenüberliegt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmepumpe mit Hohlkörpern, die jeweils mindestens eine erste Zone und mindestens eine zweite Zone umfassen, zwischen denen ein Arbeitsmittel reversibel verlagerbar ist, wobei ein Gleichgewicht des Zusammenwirkens des Arbeitsmittels mit jeder der Zonen von thermodynamischen Zustandsgrößen abhängt.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2006 028 372 A1 ist ein Wärmeübertrager, insbesondere ein Sorptions-Reaktions- und/oder Wärmerohr mit einer Vielzahl von Fasern bekannt, wobei eine Mehrzahl der Fasern mit ihrem einen Ende an oder in der Wand angebracht sind. Das andere Ende der Fasern ist beabstandet von der Wandoberfläche angeordnet. Der Wärmeübertrager umfasst eine Verdampfungszone, die versetzt zu einer Adsorptionszone angeordnet ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Wirkungsgrad einer Wärmepumpe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einer Wärmepumpe mit Hohlkörpern, die jeweils mindestens eine erste Zone und mindestens eine zweite Zone umfassen, zwischen denen ein Arbeitsmittel reversibel verlagerbar ist, wobei ein Gleichgewicht des Zusammenwirkens des Arbeitsmittels mit jeder der Zonen von thermodynamischen Zustandsgrößen abhängt, dadurch gelöst, dass die Hohlkörper jeweils eine erste Wirkfläche mit der ersten Zone aufweisen, die einer zweiten Wirkfläche mit der zweiten Zone gegenüberliegt. Die direkt gegenüberliegenden Wirkflächen sind nur durch einen schmalen Spalt voneinander getrennt. Das hat den Vorteil, dass sich bei einem Nutzungsprozess der Wärmepumpe gleichzeitig ablaufende Prozesse der Adsorption und Verdampfung sowie die bei einem Regenerationsprozess der Wärmepumpe gleichzeitig ablaufende Prozesse der Desorption und Kondensation in direkter Nachbarschaft abspielen, wodurch hohe Strömungsgeschwindigkeiten, Druckverluste und eventuelle Mitrisseffekte von flüssigen Arbeitsmittelanteilen minimiert werden.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkflächen eben und im Wesentlichen rechteckig sind. Die Wirkflächen sind vorzugsweise parallel zueinander angeordnet und deckungsgleich voneinander beabstandet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Wirkflächen ein im Wesentlichen quaderförmiger Hohlraum angeordnet ist. Vorzugsweise ist der quaderförmige Hohlraum an seinem Umfang vollständig geschlossen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper als geschlossene Rohre oder Platten mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Hohlraum ausgeführt sind. In dem quaderförmigen Hohlraum ist das Arbeitsmittel zwischen den gegenüberliegenden Wirkflächen verlagerbar.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper gleich ausgeführt sind. Dadurch wird die Herstellung der Hohlkörper vereinfacht.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei Hohlkörper spiegelsymmetrisch an entgegengesetzten Wärmeübergangsflächen von Fluiddurchtrittsbereichen angeordnet sind. Die Fluiddurchtrittsbereiche sind jeweils zwischen zwei spiegelsymmetrisch verdrehten Hohlkörpern angeordnet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Hohlkörpern abwechselnd Durchtrittsbereiche erster Art zur Durchströmung mit einem ersten Fluid zum Wärmeaustausch mit den ersten Zonen und Durchtrittsbereiche zweiter Art zur Durchströmung mit einem zweiten Fluid zum Wärmeaustausch mit den zweiten Zonen angeordnet sind. Bei dem ersten Fluid handelt es sich zum Beispiel um ein Wasser-Glykol-Gemisch. Bei dem zweiten Fluid handelt es sich zum Beispiel um Luft. Die Durchtrittsbereiche werden zum Beispiel von Flachrohren gebildet.
In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel bilden die Wände der Hohlkörper gleichzeitig die Begrenzungsflächen der Durchtrittsbereiche erster und zweiter Art, die mit Stegen, Wellrippen, Turbulenzblechen beabstandet und oder seitlich verschlossen werden. Dies hat den Vorteil, dass der Wärmetransport zwischen den Hohlkörpern und den die Durchtrittsbereiche durchströmenden Fluide verbessert wird.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Zonen eines Hohlkörpers thermisch voneinander entkoppelt sind. Dadurch werden Wärmeströme zwischen unterschiedlich warmen gegenüberliegenden Zonen eines Hohlkörpers minimiert.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper mit einer Stützstruktur ausgestattet sind. Die Stützstruktur dient dazu, Druckunterschiede gegenüber der Umgebung abzustützen.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hohlkörper mindestens eine Adsorptions-/Desorptionszone und mindestens eine Verdampfungs-/Kondensationszone umfasst. Bei der Wärmepumpe handelt es sich insbesondere um eine Adsorptionswärmepumpe beziehungsweise eine Adsorptionskälteanlage.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wirkfläche mit einer Adsorberstruktur versehen ist, welche die erste Zone bildet. Die Adsorberstruktur oder Adsorberschicht umfasst zum Beispiel Aktivkohle.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Wärmepumpe ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wirkfläche mit einer Kapillarstruktur versehen ist, welche die zweite Zone bildet. Die Kapillarstruktur dient dazu, kondensiertes Fluid aufzufangen und über die ganze Fläche verteilt im guten thermischen Wandkontakt zu halten.
Unter einem Fluid im Sinne der Erfindung wird grundsätzlich jede fließfähige Substanz verstanden, insbesondere ein Gas, eine Flüssigkeit, ein Gemisch aus gasförmiger und flüssiger Phase oder ein Gemisch aus flüssiger und fester Phase (zum Beispiel flow-ice). Unter dem Zusammenwirken des Arbeitsmittels mit der ersten und der zweiten Zone wird jede Art einer thermodynamisch relevanten exothermen oder endothermen Umsetzung des Arbeitsmittels mit oder in der Zone verstanden, bei der insbesondere ein Wärmeaustausch zwischen der jeweiligen Zone und dem die Zone umströmenden Fluid stattfindet. Als konkretes Beispiel sei genannt, dass die erste Zone ein Adsorber-Desorber-Material enthalten kann, z. B. Zeotith, wobei das Arbeitsmittel Wasser sein kann, welches insbesondere in der zweiten Zone in Kapillar-Strukturen kondensierbar oder verdampfbar ist. Alternativ können in den Zonen zum Beispiel auch unterschiedliche Metalle vorliegen, wobei das Arbeitsmittel z. B. Wasserstoff ist, so dass unter Wärmeaufnahme und/oder Wärmeabgabe eine Bildung oder Auflösung von Metallhydriden in den Zonen stattfindet. Das Zusammenwirken des Arbeitsmittels mit den Zonen kann sowohl eine Physisorption als auch eine Chemisorption oder eine andere Art des Zusammenwirkens umfassen. Unter einem Hohlkörper oder Hohlelement im Sinne der Erfindung ist jedes Element zu verstehen, innerhalb dessen ein Transport des Arbeitsmittels möglich ist.
Ein Beispiel für den Einsatz einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe ist die Gebäudetechnik. Dort kann die mit einem Brenner erzeugte Heizleistung dazu benutzt werden, zusätzlich Umweltwärme auf ein für Heizzwecke nutzbares Temperaturniveau zu heben. Weiterhin kann die Wärmepumpe zum Beispiel in Verbindung mit einem Blockheizkraftwerk eingesetzt werden, um den Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen. Im Winter kann die Wärmepumpe zum Beispiel zur effektiveren Nutzung des im Kühlmittel und/oder Abgas enthaltenen Wärmestroms zu Heizungszwecken eingesetzt werden, indem zusätzliche Wärme vom Außentemperaturniveau auf ein für die Heizung nutzbares Niveau gepumpt wird. Im Sommer kann die gleiche, eventuell leicht modifizierte oder auch nur anders eingestellte Anlage zur Kühlung des Gebäudes verwendet werden, indem ebenfalls. der Abwärmestrom des Stromerzeugers zum Antrieb der Kühlung genutzt wird. Es kann sich aber auch um eine Nutzung von thermischer Solarenergie zur Kälteerzeugung mittels der Wärmepumpe handeln. Ebenso kann die erfindungsgemäße Wärmepumpe grundsätzlich auch wie in der DE 198 18 807 A1 beschrieben zur Klimatisierung von insbesondere Nutzfahrzeugen eingesetzt werden. Andere denkbare Anwendungen sind die Nutzung von Fernwärme im Sommer zur Kälteerzeugung beziehungsweise Klimatisierung oder die Abwärmenutzung von Industrie-Feuerungsanlagen zur Erzeugung von Klimatisierungs- oder Prozesskälte. Allgemein zeichnet sich eine erfindungsgemäße Wärmepumpe durch hochgradige Wartungsfreiheit und Zuverlässigkeit aus. Es besteht eine hohe Flexibilität bei der Auswahl des ersten und zweiten Fluids, die nicht gleich sein müssen und sich zum Beispiel für einen Sommereinsatz und einen Wintereinsatz unterscheiden können.
In einer bevorzugten Ausführung der Wärmepumpe ist diese eine Adsorptions-Wärmepumpe, wobei das Arbeitsmittel in der ersten Zone adsorbierbar - und desorbierbar ist und in der zweiten Zone verdampfbar und kondensierbar ist. In einer alternativen bevorzugten Ausführung ist das Arbeitsmittel zumindest in der ersten Zone reversibel chemisorbierbar. Es kann sich bei der Wärmepumpe auch um ein gemischtes Prinzip handeln, etwa in dem Sinne, dass einige Hohlelemente oder Hohlkörper nach dem Adsorber-Prinzip (Physisorption) arbeiten und andere Hohlelemente oder Hohlkörper eine Chemisorption aufweisen.
In bevorzugter Weiterbildung einer erfindungsgemäßen Wärmepumpe weisen die Strömungswege eine erste Gruppe von zumindest zwei benachbarten Strömungswegen und eine zweite Gruppe von zumindest zwei benachbarten Strömungswegen auf, wobei die Strömungswege der ersten Gruppe sämtlich in einer ersten Richtung und die Strömungswege der zweiten Gruppe sämtlich in hierzu entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Hierdurch ist es ermöglicht, die einzelnen Strömungswege einer Gruppe unterschiedlichen Temperaturen des Fluids zuzuordnen, so dass ein Wärmeaüstausch mit den Hohlelementen bei gegebener Baugröße beziehungsweise Kontaktfläche von Fluid und Hohlelement durch Anpassung an das dort vorliegende Temperaturprofil verbessert ist. Eine Verbesserung wird dabei sowohl durch die Gleichrichtung der Fluidströmung innerhalb einer Gruppe als auch durch die Entgegenrichtung der beiden Gruppen zueinander erzielt, wodurch der Umkehrung des Temperaturgangs bei Wärmeabgabe gegenüber Wärmeaufnahme Rechnung getragen wird.
In bevorzugter Ausgestaltung umfasst ein Plattenelement eine Anzahl von parallelen stimseitig geschlossenen Flachrohren, wobei jedes der Flachrohre ein Hohlelement mit erster und zweiter Zone ausbildet. Dies ermöglicht eine kostengünstige Herstellung einer Wärmepumpe, wobei die Form der Flachrohre einem Wärmeaustausch bei gegebener Baugröße zugute kommt. Insbesondere vorteilhaft sind die Flachrohre hermetisch voneinander getrennt. Hierdurch wird es in besonderem Maße ermöglicht, dass unterschiedliche Hohlelemente oder Flachrohre des gleichen Plattenelements unterschiedliche Temperaturen und Drücke aufweisen, was bei geeigneter Stufung der Temperaturen in Verbindung mit geeigneter Flussrichtung des Fluids entlang der Plattenelemente zu einem wiederum verbesserten Wärmeaustausch bei gegebener Bauraumgröße führt.
Weiterhin bevorzugt ist zwischen zwei der Plattenelemente eine Hohlplatte angeordnet, deren Hohlraum einem der Durchtrittsbereiche zugeordnet ist, wobei die Hohlplatte in flächiger thermischer Verbindung, insbesondere Verlötung, mit den benachbarten Plattenelementen steht. Hierdurch ist ein modulartiger Aufbau eines Stapels aus Plattenelementen und Durchtrittsräumen auf einfache und kostengünstige Weise ermöglicht, wobei die Anzahl speziell gefertigter aufwendiger Bauteile gering gehalten wird. Besonders bevorzugt ist dabei zwischen zwei Plattenelementen eine Hohlplatte erster Art angeordnet, welche einen Durchtrittsbereich erster Art ausbildet und eine von der Hohlplatte erster Art im Wesentlichen thermisch getrennte Hohlplatte zweiter Art, welche einen Durchtrittsbereich zweiter Art ausbildet. Auf diese Weise wird unter weiterer Verwendung standardisierter Bauteile zugleich die Ausbildung einer thermischen Trennung zwischen den beiden Arten von Durchtrittsbereichen erreicht. Die Hohlplatten erster und zweiter Art müssen nicht notwendig die gleiche Dicke aufweisen, was durch entsprechende Ausformung der Plattenelemente beziehungsweise Hohlelemente kompensiert werden kann; so kann zum Beispiel die Hohlplatte erster Art für ein flüssiges Fluid und die Hohlplatte zweiter Art für ein gasförmiges Fluid angepasst dimensioniert sein.
Weiterhin bevorzugt sind zumindest zwei jeweils endseitig der Plattenelemente angeordnete und einer Verteilung des zweiten Fluids durch die Durchtrittsbereiche zweiter Art zugeordnete Verteilvorrichtungen mit jeweils einem feststehenden Hohlzylinder und einem in dem Hohlzylinder drehbaren Verteilereinsatz vorgesehen. Hierdurch wird eine hinsichtlich des Wärmeaustausches optimierte Verteilung des zweiten Fluids auf die Durchtrittsbereiche auf einfache Weise ermöglicht. Besonders bevorzugt weist dabei der Verteilereinsatz der Verteilvorrichtungen für das zweite Fluid Trennwände auf, die in zumindest einem der Zylinder zumindest drei separate wendelförmige Kammern abtrennen, wobei durch jede der Kammern ein zumindest einen Durchtrittsbereich zweiter Art umfassender Strömungsweg definiert ist. Hierdurch ist auch für den Wärmeaustausch des zweiten Fluids mit den zweiten Zonen eine Optimierung bei gegebenem Bauraum ermöglicht.
In bevorzugter Ausführung weisen die insbesondere, aber nicht notwendig spiralig ausgeformten Trennwände Fahnen oder andere Verschlussmittel auf, mittels derer ein zeitweiser Verschluss zumindest eines Strömungsweges bewirkbar ist. Durch einen solchen zeitweisen Verschluss eines Strömungsweges hinsichtlich des Fluidaustausches kann je nach Ausbildung der Wärmepumpe die Effektivität eines Wärmeaustausches bei gegebener Baugröße weiterhin verbessert werden, indem Bypass-Strömungen verhindert werden.
In einer alternativen Ausführung kann zur Vermeidung von Bypasströmungen der Verteileinsatz schrittweise so bewegt werden, dass die die Zeitdauer, in der zwei Gruppen von Durchtrittsbereichen gleichzeitig geöffnet sind, relativ schnell überstrichen wird und der Verteileinsatz dann für eine gewisse Zeit in einer Position verharrt, in der nur eine Verbindung zu einer Gruppe von Durchtrittsbereichen besteht.
In einer bevorzugten Ausbildung einer Wärmepumpe weist der Verteilereinsatz einen Anschlussbereich mit radialen Durchbrechungen auf, wobei über die jeweils mit einer Kammer fluchtende Durchbrechung ein Fluidaustausch der Kammer erfolgt. Hierdurch ist ein einfacher Anschluss der wendelförmigen Kammer mit einer äußeren Fluidführung auch dann ermöglicht, wenn eine große Anzahl von separaten Kammern vorliegt. In besonders einfacher Ausbildung erfolgt dabei der Fluidaustausch mehrerer der wendelförmigen Kammern über eine entsprechende Anzahl der Durchbrechungen mit einem mehrteiligen Anschlussraum, der den Zylinder zumindest teilweise umfängt. Weiterhin bevorzugt ist ein Anschlussraum des ersten Zylinders mit einem Anschlussraum des zweiten Zylinders über eine Anzahl voneinander separierter Kanäle verbunden. Somit ist insgesamt eine besonders aufwendige Führung einer großen Anzahl von Strömungswegen mit einfachen und kostengünstigen Mitteln ermöglicht.
Weiterhin bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass jeder der Verteilereinsätze zu den anderen Verteilereinsätzen synchronisiert antreibbar drehbar ist. Eine phasengerechte Synchronisierung der Drehbewegung der Verteiler-einsätze ist allgemein für eine wirkungsvolle Funktion der Wärmepumpe erforderlich. Vorteilhafterweise sind die beiden Verteifereinsätze des ersten und die beiden Vertelleinsätze des zweiten Fluids in ihrer Phasenlage jeweils so positioniert sind, dass sich die mit den Kammern kommunizierenden Strömungsbereiche decken. In bevorzugter Ausführung kann dabei eine Verteilvorrichtung des zweiten Fluids gegenüber einer Verteilvorrichtung des ersten Fluids bezüglich einer Phasenlage eines Verteilzyklus einstellbar veränderbar sein. Dies kann insbesondere über eine Phasenlage der Verteilereinsätze geschehen. Durch die Einstellbarkeit der Phasenlage ist eine weitere Optimierung der Wärmepumpenleistung ermöglicht. Allgemein kann eine Optimierung der Phasenlage in Abhängigkeit der mittleren Temperaturen der Fluide, der Art der Wirkungsweise der Hohlelemente und der Art des Arbeitsmittels, der Art der Fluide und weiterer Parameter der Wärmepumpe die Wirkungsweise verbessern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausbildung sind die gewendelten oder wenigstens abschnittsweise geraden Kammersektoren ungleich über den gesamten Kreisumfang verteilt. Hierdurch wird erreicht, dass über einen Zyklus beziehungsweise eine Umdrehung des Verteileinsatzes eine veränderliche Anzahl von Durchtrittsbereichen mit der jeweiligen Kammer verbunden wird beziehungsweise der durch die Kammer definierte Strömungsweg eine veränderliche Breite hat, was im Einzelfall zu einer Optimierung der Wärmepumpenleistung bei gegebenem Bauraum führen kann.
Allgemein können mehrere hermetisch voneinander getrennte Hohlelemente oder Hohlkörper vorgesehen sein, wobei wenigstens zwei der Hohlelemente unterschiedliche Arbeitsmittel und/oder Sorptionsmittel aufweisen. Grundsätzlich ist eine erfindungsgemäße Wärmepumpe nicht auf einheitliche Stoffsysteme in jedem der Hohlelemente beschränkt.
Zur allgemeinen Verbesserung der thermischen Austauschleistungen ist es bevorzugt vorgesehen, dass die Strömungswege des ersten Fluids im Vergleich zu den über identische Hohlelemente zugeordneten Strömungswegen des zweiten Fluids in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden.
In einer ersten zweckmäßigen Bauweise ist es vorgesehen, dass die Trennwände des Verteilereinsatzes spiralig ausgeformt sind, und dass die abgetrennten Kammern wendelförmig sind.
In einer alternativen zweckmäßigen Ausführungsform verlaufen die Trennwände des Verteilereinsatzes im Wesentlichen gerade über die Länge des Verteilereinsatzes. Auf diese Weise sind die Verteilereinsätze einfach und kostengünstig herstellbar, insbesondere als zumindest abschnittsweise im Wesentlichen prismatische Körper. Diese können zum Beispiel als gegebenenfalls nachbearbeitete Strangpressprofile oder Spritzgussteile hergestellt werden. Zur einfachen Bereitstellung der mehreren Strömungswege weist der Hohlzylinder dabei eine Mehrzahl von Durchrechungen auf, wobei in axialer Richtung aufeinander folgende Durchbrechungen jeweils um einen Winkel versetzt zueinander angeordnet sind. Hierdurch ist in konstruktiv einfacher Weise eine zyklische Folge von Strömungswegen realisiert, die durch Drehen des geraden Verteilereinsatzes in Stapelrichtung der Hohlelemente wandern.
Bei einer besonders geeigneten konstruktiven Detaillösung weist der den Verteilereinsatz umfangende Hohlzylinder dabei eine innere und eine äußere Wandung auf, wobei zwischen den beiden Wandungen mehrere axial nacheinander angeordnete Ringkammern ausgebildet sind. Hierdurch ist insbesondere ein einfacher Anschluss der Hohlzylinder an den Stapel aus Plattenelementen beziehungsweise Hohlelementen oder Hohlkörpern ermöglicht. Besonders bevorzugt sind dabei die Ringkammem als in axialer Richtung stapelbare Ringkammermodule ausgebildet. Hierdurch lässt sich durch Verwendung von Gleichteilen eine kostengünstig angepasste Herstellung von Hohlzylindern beziehungsweise Verteilvorrichtungen unterschiedlicher Länge beziehungsweise Wärmepumpen unterschiedlicher Größe erzielen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Wärmepumpe ist zur Optimierung der Leistungsfähigkeit bei gegebenem Bauraum eine Verteüeinrichtung für das zweite Fluid vorgesehen, wobei das zweite Fluid mittels der Verteilvorrichtung über mehrere Strömungswege durch die Durchtriftsbereiche zweiter Art geleitet wird. Besonders bevorzugt bildet dabei einer der Strömungswege eine geschlossene und von den übrigen Strömungswegen des zweiten Fluids separierte Schleife aus. Der geschlossene Strömungsweg hat dabei vorteilhaft eine kleinere Breite in der Stapelrichtung als ein benachbarter Strömungsweg, wobei der geschlossene Strömungsweg insbesondere zur Zwischentemperaturverdampfung und/oder Zwischentemperaturkondensation geführt ist. Durch eine solche Führung des geschlossenen Strömungswegs wird eine innere thermische Kopplung einer Verdampfungs- und einer Kondensationszone der Wärmepumpe ausgebildet, wodurch insbesondere noch Wärmequellen mit tiefer liegenden Temperaturbereich genutzt werden können. In zweckmäßiger Detailgestaltung umfasst dabei der geschlossene Strömungsweg ein Pumpenglied zur Förderung des Fluids.
Diese Ausführungsform nutzt die Möglichkeit, nur mittels der Fluidsteuerung eine Art Kaskadenschaltung zu realisieren, entweder um die erforderliche Desorptionstemperatur abzusenken und/oder den Temperaturabstand zwischen minimaler Adsorptionstemperatur und Verdampfungstemperatur (Temperaturhub) zu vergrößern. Dies wird dadurch erreicht, dass in den Fluidverteilzylindern zur Fluidsteuerung der Phasenwechselzone zwischen den Verteilkammern für die Kondensation und für die Verdampfung Zwischenkammern vorgesehen werden, durch die ein zusätzlicher kleiner Kreislauf zirkuliert. Dadurch wird bewirkt, dass ein Wärmeübertrag von der Kondensations-Endphase auf die Verdampfungs-Endphase erfolgt, indem kaltes Fluid zur Kondensatorkühlung verwendet wird. Dies bewirkt eine Druckabsenkung am Ende der Desorptions-/Kondensationsphase wodurch eine Absenkung der zur vollständigen Desorption benötigten Temperatur bewirkt wird. Die damit verbundene Druckanhebung am Ende der Adsorptions-Nerdampfungsphase bewirkt eine Anhebung der benötigten Adsorptionstemperatur. Diese Effekte können auch zur Erhöhung der effektiv genutzten Beladungsbreite des eingesetzten Adsorptions- beziehungsweise Reaktionsmittels dienen.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgend Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:

Figur 1: eine perspektivische Darstellung eines Hohlkörpers, der an einem Ende aufgeschnitten ist;
Figur 2: eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe beziehungsweise einer Adsorptionswärmepumpe mit gegenüberliegenden aktiven Flächen gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Figur 3: eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe beziehungsweise einer Adsorptionswärmepumpe mit einer Kreuzstromführung;
Figur 4: eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe beziehungsweise einer Adsorptionswärmepumpe mit gegenüberliegenden aktiven Flächen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel im Schnitt;
Figur 5: die Adsorptionswärmepumpe aus Figur 4 in einem um 90 Grad versetzten Schnitt und
Figur 6: eine schematische Darstellung einer Wärmepumpe beziehungsweise einer Adsorptionswärmepumpe mit einer Gegenstromführung.

Die Effizienz der Primärenergienutzung kann bekanntermaßen durch Kraft-Wärmekopplung gesteigert werden. Die Durchsetzung dieser Technik wird jedoch dadurch behindert, dass in den meisten Einsatzgebieten in den warmen Sommermonaten zu wenig Wärmeabnehmer vorhanden sind. Da die alleinige Erzeugung von Strom zu unrentabel ist, lohnt sich diese Technik daher nur bei Objekten mit ganzjährigem Wärmebedarf, zum Beispiel Krankenhäuser, Sportstätten, Schwimmbäder usw. Andererseits steigt der Bedarf zur Raumklimatisierung weltweit stark an, was die Stromnetze an heißen Tagen bis an die Belastungsgrenze bringt.
Interessant werden daher Konzepte, die das Stromnetz im Sommer entlasten, indem sie kostengünstige solar erzeugte Wärme oder Abwärme von Blockheizkraftwerken oder sonstige industrielle Wärmequellen zu Kühl- oder Klimatisierungszwecken nutzen.
Auch zur Beheizung von Häusern im Winter ist eine reine Verfeuerung fossiler Primärenergieträger ohne gleichzeitige Nutzung des Exergieinhaltes zukünftig kaum mehr verantwortbar. Es sind also auch neue Heizsysteme gefragt, die entweder regenerative Energien, zum. Beispiel thermische Solarenergie, nutzen oder zunehmend auch den Exergieinhalt der wertvoller werdenden Brennstoffe ausnutzen. Beispiele dafür sind die bereits genannten Blockheizkraftwerke oder Wärmepumpen, die zusätzliche Umweltwärme auf ein für Heizzwecke ausreichendes Temperaturniveau heben. Zur letztgenannten Klasse von Systemen gehören auch thermisch angetriebene Wärmepumpen.
Neben den bekannten elektrisch oder verbrennungsmotorisch angetriebenen Kompressions-Wärmepumpen beziehungsweise Kälteanlagen sind auch so genannte thermisch angetriebene Systeme wie Absorptions- und Adsorptions-Wärmepumpen beziehungsweise Kälteanlagen und Dampfstrahl-Kälteanlagen bekannt.
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich konkret auf eine Adsorptionswärmepumpe beziehungsweise -Kälteanlage entsprechend der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 059 504.1 . Die dort vorgeschlagene und beschriebene Vorrichtung basiert auf so genannten Sorptionsrohren beziehungsweise Sorptionsplatten, die mindestens eine Adsorptions-/Desorptionszone und eine Verdampfungs-/Kondensationszone umfassen. Die Funktion und eine mögliche interne Ausstattung solcher Sorptionsrohre oder Platten ist zum Beispiel in der DE 10 2006 028 372 A1 beschrieben.
Der Wärmepumpprozess wird dadurch erzeugt, dass der in den Sorptionsrohren ablaufende Nutz- und Regenerationsprozess mit den gleichzeitig ablaufenden Teilprozessen Adsorption und Verdampfung beziehungsweise Desorptions und Kondensation zwar bei gleichen Drücken jedoch unterschiedlichen Temperaturen ablaufen. Durch periodisch wechselnde Anbindung einer Mehrzahl derartiger Sorptions- oder Reaktionsrohre an geeignete Wärmequellen und Wärmesenken kann ein quasikontinuierlicher Wärmepumpprozess erzeugt werden.
Bei diesen oder ähnlich intern ausgestatteten Sorptions- oder Reaktionsrohren kann das Problem auftreten, dass bereits geringe Fremdgasanteile die Kinetik des Nutz- und Regenerationsprozesses spürbar verschlechtern, weil sie die Ausbildung einer reinen Dampfströmung von Arbeitsmittel und die antreibenden Sorptionsprozesse behindern und/oder stofftransportbehindemde Schichten aus Inertgas unmittelbar vor den Grenzflächen zu den Adsorberstrukturen aufbauen.
Weiterhin kann das Problem auftreten, dass eine hohe Dampfgeschwindigkeit an der Oberfläche des mittels Kapillarstruktur gehaltenen Flüssigkeitsfilms feinste Flüssigkeitströpfchen mit sich in die Sorptionszone reißt. Mitgerissene Flüssigkeitsanteile können die Wärmepump-Leistung derartiger Rohre oder Platten signifikant verschlechtern.
Die Erfindung lehrt den Einsatz von flächigen Hohlkörpern, insbesondere Sorptionsrohren oder -platten, bei denen die Adsorberbeschichtung für den Adsorptions-/Desorptionsprozess und die Kapillarstruktur für den Verdampfungs-/Kondensationsprozess an im Wesentlichen gegenüberliegenden Flächen angeordnet sind. Die beim Nutzprozess gleichzeitig ablaufenden Prozesse der Adsorption und Verdampfung sowie die beim Regenerationsprozess gleichzeitig ablaufende Desorption und Kondensation spielen sich also in direkter nur über einen Spalt getrennter Nachbarschaft ab.
In Figur 1 ist ein Hohlkörper 1 perspektivisch und an einem Ende aufge-schnitten dargestellt. Der Hohlkörper 1 wird von einem geschlossenen Flachrohr gebildet, das innen hohl ist und auch als Platte oder Plattenelement bezeichnet wird. In dem Hohlkörper 1 ist eine erste Zone 4 und eine zweite Zone 5 vorgesehen. Die erste Zone 4 ist an einer ersten Wirkfläche 6 im Inneren des Flachrohrs 2 vorgesehen. Die zweite Zone 5 ist an einer zweiten Wirkfläche 7 im Inneren des Flachrohrs 2 vorgesehen. An der ersten Wirkfläche 6 ist eine Adsorberstruktur 8 angebracht. Bei der Adsorberstruktur 8 handelt es sich zum Beispiel um Aktivkohle. An der zweiten Wirkfläche 7 ist eine Kapillarstruktur 9 angebracht. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die beiden Zonen 4, 5 unmittelbar gegenüberliegend angeordnet und nur durch einen Hohlraum 10 voneinander getrennt. Der Hohlraum 10 hat im Wesentlichen die Gestalt eines Quaders.
Das Flachrohr 2 ist vorzugsweise aus zwei spiegelsymmetrisch aufgebauten Schalen gebildet, die miteinander rundum durch Fügeverbindungen 11 bis 13 gasdicht verbunden und mit einem Arbeitsmittel gefüllt sind. Um die Wärmeflüsse von der sorbensbeschichteten wärmeren Zone 4 zu der kühleren Zone 5 und der Kapillarstruktur 9 zu minimieren, sind die gegenüberliegenden Wirkflächen 6, 7 mit geeigneten Maßnahmen thermisch entkoppelt. Weiterhin kann der Hohlkörper Stützmittel aufweisen, um Differenzdrücke zum Umgebungsdruck abzufangen. Auch diese Stützmittel besitzen vorzugsweise eine sehr geringe Wärmleitfähigkeit.
Die Ausführung der Hohlkörper 1, die auch als Sorptionsplatten oder Sorptionsrohre bezeichnet werden, erfordert einen modifizierten Aufbau eines Plattenstapels aus Sorptionsrohren und zweierlei Fluidführungsrohren zur Einbeziehungsweise Ausleitung der Wärmeströme für die Sorptionsprozesse, Adsorption/Desoprtion, einerseits und die Phasenwechselprozesse, Verdampfung/Kondensation, andererseits.
In Figur 2 sind vier Hohlkörper 15, 16, 17, 18, die genauso ausgeführt sind, wie der in Figur 1 dargestellte Hohlkörper 1, übereinander gestapelt dargestellt. Die adsorberbeschichtete Plattenseite steht jeweils mit einer ersten Kategorie von Fluidführungsplatten oder Fluidführungsrohren 21, 22, 23 thermisch in Kontakt. Die Fluidführungsplatten 21 bis 23 der ersten Kategorie dienen zur Abfuhr beziehungsweise Zufuhr der Adsorptions- beziehungsweise Desorptionswärmen. Durch Pfeile 24 bis 26 sind Wärmeträgerströme für die Adsorption/Desorption angedeutet.
Die Seiten der Hohlkörper 15 bis 18 mit der Kapillarstruktur (7 in Figur 1) stehen jeweils mit einer zweiten Kategorie von Fluidführungsplatten 27, 28 thermisch in Kontakt. Die Fluidführungsplatten 27, 28 dienen zur Abfuhr beziehungsweise Zufuhr der Kondensations- beziehungsweise Verdampfungswärmen. Die Durchströmung der Fluidführungsplatten 27, 28 erfolgt im Kreuzstrom, also senkrecht zur Durchströmung der Fluidführungsplatten 21 bis 23, was durch die Bezugszeichen 31 und 32 angedeutet ist. Das Fluidmanagement zur Zu- und Abfuhr der Sorptionswärmen und der Wärme für die Phasenwechsel erfolgt analog der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 059 504.1 der gleichen Anmelderin. Die Fluidverteilung auf die einzelnen Fluidführungplatten ist hier nicht dargestellt.
In Figur 3 ist eine Adsorptionswärmepumpe mit den Fluidstrom begrenzenden Wänden 41 schematisch dargestellt. Die Adsorptionswärmepumpe 40 ist mit Fluidverteilzylindern 42, 43 und 44, 45 ausgestattet. Die Fluidverteilzylinder 42, 43 steuern die Strömung eines flüssigen Wärmeträgers durch Fluidführungsrohre erster Art und sind zu diesem Zweck mit jeweils zwölf Teilkammern zur Führung des flüssigen Wärmeträgers auf unterschiedlichen Temperaturstufen ausgestattet. Der Verlauf der Strömung des Flüssigwärmeträgers zur Zu- und Abfuhr der Adsorptions- und Desorptionswärmen ist durch Pfeile 46 bis 48 angedeutet. Dabei deuten die Pfeile 46 und 47 eine Strömungsführung an. Der Pfeil 48 deutet eine Umlenkung der Fluidströmung an.
In der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 059 504.1 ist beschrieben, wie die Teilkammern der Fluidverteilvorrichtungen 42, 43, die auch als Verteilzylinder bezeichnet werden, zur Darstellung einer internen Wärmeübertragung mit einem Rückkühler und einer Wärmequelle ausgeführt und verschaltet sein müssen, so dass durch langsame Drehung ein Temperaturprofil durch einen im Inneren des Gehäuses 41 angeordneten Plattenstapel bewegt werden kann. Mit der beschriebenen Methode kann eine phasenversetzte Zyklierung aller Sorptionsreaktoren mit einer quasikontinuierlichen Kälteerzeugung realisiert werden.
Die Fluidverteilvorrichtungen 44, 45 sind jeweils nur mit zwei Teilkammem ausgestattet und steuern einen flüssigen oder gasförmigen Wärmeübertrager, wie zum Beispiel Wasser oder Luft, zur Zu- beziehungsweise Abfuhr der Verdampfungs- beziehungsweise Kondensationswärmen. Durch einen Pfeil 49 ist der zugehörige Fluidstrom angedeutet. Bei der Adsorptionswärmepumpe 40 sind die Fluidströme erster Kategorie 46, 47 und zweiter Kategorie 49 im Kreuzgegenstrom geschaltet.
In den Figuren 4 und 5 ist eine Adsorptionswärmepumpe 50 mit gegenüberliegenden aktiven Flächen gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in verschiedenen Schnittansichten dargestellt. Die Adsorptionswärmepumpe 50 umfasst ein Gehäuse beziehungsweise den Fluidstrom begrenzende Wände 51, in dem eine Vielzahl von Hohlkörpern 52 bis 55 übereinander gestapelt sind. Dabei sind die Hohlkörper 52 bis 55 so angeordnet, dass die Seiten der Hohlkörper mit der Adsorberstruktur thermisch in Kontakt mit Fluldführungsrohren 61 bis 63 stehen. Die zugehörigen Fluidströmungen sind in Figur 5 durch Pfeile angedeutet. Die Fluidverteilung erfolgt mit Fluidverteilvorrichtungen 64, 65, die jeweils eine Ringkammer und eine gerade Verteilerwalze mit einem Sternprofil umfassen, das in sechs Kammern unterteilt ist. Derartige Fluidverteilvorrichtungen sind in der deutschen Patentanmeldung DE 10 2006 059 504.1 beschrieben. Die Fluidführungsrohre 61 bis 63 sind jeweils an einem Ende mit einer Umlenkung 68, 67, 66 ausgestattet. Die Seiten der Hohlkörper 52 bis 55 mit der Kapillarstruktur stehen thermisch in Kontakt mit Fluidführungsrohren 71, 72.
In Figur 6 ist eine Adsorptionswärmepumpe 80 mit gegenüberliegenden aktiven Flächen schematisch dargestellt. Die Adsorptionswärmepumpe 80 ist mit zwei Fluidverteilvorrichtungen 81, 82 ausgestattet, die dazu dienen, einen flüssigen Wärmeträger zur Abfuhr beziehungsweise Zufuhr der Kondensations- beziehungsweise Verdampfungswärmen in zugehörigen Fluidführungsplatten zu verteilen. Die Strömung des Fluids ist durch einen Pfeil 83 angedeutet. Die Adsorptionswärmepumpe 80 umfasst des Weiteren zwei Fluidvorteilvorrichtungen 84, 85 zur Verteilung eines Fluids zur Abfuhr/Zufuhr der Adsorptions- beziehungsweise Desorptionswärmen in zugehörigen Fluidführungsrohren oder Fluidführungsplatten. Die Fluidströmung zwischen den Fluidverteilvorrichtungen 84, 85 ist durch einen Pfeil 86 angedeutet. Die Fluidströmungen 83, 86 sind im Gegenstrom geschaltet. Der Aufbau und die Funktion der Fluidverteilvorrichtungen 81, 82 und 84, 85 sind in der DE 10 2006 028 372 A1 beschrieben.
Der anhand von verschiedenen Ausführungsbeispielen beschriebene Aufbau einer Adsorptions-Wärmepumpe mit gegenüberliegenden aktiven Flächen liefert unter anderem die folgenden Vorteile: Die Dampftransportwege zwischen Adsorbens- und Kapillarstruktur sind sehr kurz und druckverlustarm. Sie sind dadurch auch weniger empfindlich gegenüber Fremdgasanteilen. Die Strömungsrichtung des Arbeitsmitteldampfs ist senkrecht zu den aktiven Flächen bei deutlich reduzierter Dampfgeschwindigkeit, wodurch die Gefahr einer Übertragung von Flüssiganteilen von der Kapillarstruktur in die Adsorberstruktur hinein deutlich verringert wird. Das mit reinem Arbeitsmitteldampf gefüllte Volumen ist deutlich geringer, was den COP der Anlage erhöht. Durch den geringeren Einfluss von Fremdgasanteilen kommen auch Stoffsysteme in Frage, deren Arbeitsmittel einen sehr geringen Dampfdruck aufweisen, zum Beispiel Wasser. Durch den größeren Abstand zwischen zwei Fluidführungsplatten der gleichen Kategorie können die Durchtrittsöffnungen von den Fluidverteilzylindern in die Fluidführungsplatten größer und damit druckverlustärmer ausgeführt werden. Oder es können umgekehrt die Durchmesser der Fluidverteilzylinder bei gleichem Strömungsdurchtritt reduziert werden, was zu einer Material- und Kosteneinsparung führt.

Claims

Wärmepumpe mit Hohlkörpern (1;15-18;52-55), die jeweils mindestens eine erste Zone (4) und mindestens eine zweite Zone (5) umfassen, zwischen denen ein Arbeitsmittel reversibel verlagerbar ist, wobei ein Gleichgewicht des Zusammenwirkens des Arbeitsmittels mit jeder der Zonen (4,5) von thermodynamischen Zustandsgrößen abhängt, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (1;15-18;52-55) jeweils eine erste Wirkfläche (6) mit der ersten Zone (4) aufweisen, die einer zweiten Wirkfläche (7) mit der zweiten Zone (5) gegenüberliegt.
Wärmepumpe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wirkflächen (6,7) eben und im Wesentlichen rechteckig sind.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den beiden Wirkflächen (6,7) ein im Wesentlichen quaderförmiger Hohlraum (10) angeordnet ist.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (1;15-18;52-55) als geschlossene Rohre (2) oder Platten mit einem im Wesentlichen quaderförmigen Hohlraum ausgeführt sind.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (1;15-18;52-55) gleich ausgeführt sind.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Hohlkörper (15,16;16,17;17,18) spiegelsymmetrisch an entgegengesetzten Wärmeübergangsflächen von Fluiddurchtrittsbereichen angeordnet sind.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei Hohlkörpern (15,16;16,17;17,18) abwechselnd Durchtrittsbereiche erster Art zur Durchströmung mit einem ersten Fluid zum Wärmeaustausch mit den ersten Zonen und Durchtrittsbereiche zweiter Art zur Durchströmung mit einem zweiten Fluid zum Wärmeaustausch mit den zweiten Zonen angeordnet sind.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gegenüberliegenden Zonen (4,5) eines Hohlkörpers (1) thermisch voneinander entkoppelt sind.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlkörper (15,16;1fi,17;17,18) mit einer Stützstruktur ausgestattet sind.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Hohlkörper (15,16;16,17;17,18) mindestens eine Adsorptions-/Desorptionszone und mindestens eine Verdampfungs/Kondensationszone umfasst.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Wirkfläche (6) mit einer Adsorberstruktur (8) versehen ist, welche die erste Zone (4) bildet.
Wärmepumpe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Wirkfläche (7) mit einer Kapillarstruktur (9) versehen ist, welche die zweite Zone (5) bildet.